核武器
核武器（英语：nuclear weapon），简称核武，是至今威力最大的一种武器。其能量是来自核子间的强交互作用，由核反应所释放。不同于常规武器，核武器依靠核反应释放的核能对目标起到毁伤作用。某些场景下，核武器也包括以核能为动力的武器系统，例如核动力航母或核动力潜艇等。
现时的核武器可大致分为威力较弱的裂变炸弹（原子弹）和威力较强的热核炸弹（氢弹），裂变炸弹的威力主要来自核裂变链式反应，以引爆高能化学品炸药的方式，压缩原本处于次临界的可裂变物质，使其在化学品炸药爆炸的瞬间达到“超临界”，从而引发链式裂变反应，如果链式反应触发多个分裂反应同时发生，便会激发核爆炸。由于在核爆炸的瞬间，链式裂变反应往往还没能赶得及百份百完成，这些可裂变物质就解体了，碎片化的可裂变物质又重新低于临界质量，中子从空隙中逃逸，链式反应中止，因此这类型核武的效率很低。例如胖子原子弹的效率只有17％，小男孩原子弹的效率就只有1.4％。而热核炸弹的威力则来自核裂变和核聚变这两者的多级串联组合。热核炸弹的氘氚聚变反应能释放出大量高能中子流，这些高能中子会加剧可裂变物质的链式裂变反应，将炸弹燃料的利用率大幅提高。以往一些裂变炸弹设计也会在能维持核分裂链式反应的材料（例如钸-239）制成的炸弹核心的空心位置充入氚气，作为一种助力剂，利用氚在炸弹爆炸时发生的核融合反应产生的高能中子，使不能维持核分裂链式反应的铀-238干涉层进行核分裂，增加炸弹威力，称为“加强型分裂炸弹”。现时的热核炸弹设计可笼统地分为干净型和肮脏型，干净型热核炸弹大部分的爆炸能量来自核聚变，而肮脏型热核炸弹大部分的爆炸能量则来自核裂变，这是由于大多数核裂变会造成大量放射性物质污染，而氘氚核融合不会。不论是亁浄型或肮脏型的热核炸弹，两款炸弹设计的爆炸威力可以是同样巨大。
核武器的发明建基于二十世纪初科学界对各种原子的内部结构及反应机理的研究成果。历史上的第一个核武器是一种内爆式钚裂变炸弹，名为“小工具”，它在1945年7月16日在美国阿拉莫戈多试验场被引爆，是第二次世界大战时美国的核武器研发计划——曼哈顿计划——的其中一环。同年美国在日本的广岛、长崎分别投放了一颗核弹，这也是世界上唯二的核武器实战应用。另一种威力更强的核子武器——热核炸弹——在战后的1951年5月在太平洋上的恩尼威托克岛试验场首次被引爆，爆炸威力大大超过裂变炸弹。热核炸弹至今也是世界最大威力的炸弹类型，其威力可达到同等质量的化学品炸药的数千万倍以上。热核炸弹后来由前苏联实用化，使用了固体炸弹燃料，体积因此大幅缩小，AN602氢弹是目前人类所引爆过的最大当量的炸弹。
理论上核子爆炸装置和化学品炸药一样没有爆炸威力上限，能投入的炸弹燃料的量越多，威力就越大，然而其质能转换效率较反物质武器低。宇宙中和核武器的热核爆炸原理上相似的自然现象是超新星，例如白矮星的爆炸是由于触发了失控的碳聚变。
虽然核子武器的原理是公开的，但各种核相关的原材料、特种材料、设计、制造设备、储存地点，以及各项核武关键技术，仍然作为各拥核国家的国家最高机密列入出口管制、禁止转让或提供情报。掌握核子武器制造技术或情报的个人或团体的活动，都会受到许多国家和国际原子能机构的严密监视。
目录
概述
核武器的出现，是20世纪40年代前后科学技术重大发展的结果。1938年，德国化学家O.哈恩和F.斯特拉斯曼发现了铀原子核裂变现象。1939年9月初，丹麦物理学家N.玻尔和他的合作者J.A.惠勒从理论上解释了核裂变反应过程。1939年8月，美国总统F.D.罗斯福采纳A.爱因斯坦等科学家的建议，着手原子弹的研究。美国研制原子弹的规模迅速扩大。1942年8月建立的“曼哈顿工程区”，直接动用人力约60万人，投资20多亿美元。当时，美国采取了电磁分离、气体扩散和热扩散等3种方法生产高浓铀，用3座石墨慢化水冷却型天然铀反应堆及与之配套的化学分离工厂生产钚–239。1945年7月16日，美国进行了首次原子弹试验。同年8月6日、9日，先后在日本的广岛和长崎投下了当时仅有的两颗原子弹。1952年11月1日，美国进行了以液态氘为热核燃料的氢弹原理试验。1954年2月，进行了氢弹空中爆炸试验。
苏联在1941年6月前为研制原子弹进行过一定的工作，卫国战争爆发后被迫中断，战后加速进行。1949年8月29日进行了原子弹试验，1953年8月进行了以固态氘化锂–6为热核燃料的氢弹试验。
中子弹的研究工作始于50年代末。美国1962年开始试验中子弹，1981年8月才开始生产和储备“长矛”导弹的中子弹弹头和203毫米榴弹炮的中子炮弹。
1960年初，在对原子弹各种起爆方法进行分析比较后，中国以“596”作为代号（596指苏联毁约停援的年月）的第一颗原子弹开始设计，并以核炸弹为目标，多方面开展研制工作。1964年10月16日，中国第一颗原子弹装置爆炸成功。1967年6月17日，又进行了爆炸威力约330万吨梯恩梯当量的氢弹空爆试验。70年代后期，中国开展了中子弹研究工作，经过80年代的系列核试验，掌握了中子弹技术。
核武器由核战斗部及其承载壳体等组成。它与投掷发射系统和指挥控制系统等使核武器形成作战能力的各系统共同组成核武器系统。核战斗部的主体是核爆炸装置，由核部件、炸药部件、火工品和其他构件组成。另外，还有核点火部件（中子源），可以设置在核装置内部，有的只可以设置在核装置外部。这些部件与引爆控制系统等一起组成核战斗部，装入承载壳体，即构成核弹。核武器投掷发射系统由运载工具、投射装置及各种辅助设备等组成。核武器指挥控制系统由指挥、控制、通信和情报等分系统组成。
核武器有裂变武器和热核武器两大类。主要利用铀–235、钚–239等重原子核链式裂变反应，瞬时释放出巨大能量的核武器，称作裂变武器，通常称原子弹。利用重原子核链式裂变反应提供的能量，引发氘、氚等轻原子核产生自持聚变反应或聚变–裂变反应，瞬间释放出巨大能量的核武器，称作热核武器，通常称氢弹。裂变武器中的核装料在引爆前必须小于临界质量，否则就会自行爆炸；而热核装料无临界质量的限制，故热核武器的威力理论上可以设计得很大。现有各种类型的核武器，都是以裂变和聚变反应为基础设计的，而且常常同时利用这两种核反应，使之交互作用，以提高核装料的利用率。
核武器爆炸时释放的能量，称核武器威力。常用释放相同能量的梯恩梯炸药的质量来表示，称梯恩梯当量，以“吨梯恩梯当量”作为计量单位（符号tTNT）。
在核装置的研制中，军事需求是确定核装置研制目标的依据，拥有的核装料种类和数量是研制工作的前提条件，新思想、新概念和新原理则是研制新型核武器、提高核武器综合性能的技术基础。核装置的研制过程大致是依据研制目标，从概念研究或可行性研究着手，经过关键技术攻关和核部件预先研究或可行性研究，形成包括威力、重量、尺寸、核材料、构形、部件、核试验要求、研制工期、经费等内容的几种设想方案；然后对设想方案进行论证、比较和评价，选定研制方案，确定战术技术指标；再进行型号研究设计、各种模拟试验和环境适应性研究试验、工艺试验与试制，并通过核试验和各种环境模拟试验（含飞行试验）检验设计的合理性，达到设计定型、工艺定型；最后批准生产。进行上述工作，要有专门的科技队伍及必要的设计环境和实验室、外场试验场地，包括核试验场。核武器交付部队后，研制和生产部门还要提供维修、更换部件等服务工作，按反馈的信息进行必要的改进，并负责其退役处理或更新。
由于核武器具有多种杀伤破坏效应，又配有先进的投掷发射工具，因而成为当今世界上对人员和物体杀伤破坏力最强的武器。核武器的作用因不同国家、不同战略和使用政策而有所不同，但其巨大的杀伤破坏力决定了它在核国家战略威慑中拥有重要地位。由于核战争可能带来难以承受的损失和破坏，因而核武器起着相互制约、遏制核战争的作用。自核武器出现后，已有半个多世纪未发生新的世界大战。虽然局部战争延绵不断，但均未敢动用核武器。
20世纪80年代后期以来，随着国际形势趋向缓和，美、苏（俄）等核大国开始较大幅度削减其部署的核武器，但两国的核武器库仍十分庞大。1996年《全面禁止核试验条约》签署后，核武器的研究并没有停止，只是改为通过非核爆试验的方式进行。核武器仍是战略威慑的重要力量。一些无核武器国家还有谋求获得核武器的意图。西方核国家一直不承诺不首先使用核武器。俄罗斯也收回了原先作出的不首先使用核武器的承诺。2001年美国国防部公布文件，进一步放宽首先使用核武器的条件，表明核武器的实战使用趋势有所增强，世界仍面临着核武器的威胁。
核武器是一种大规模杀伤性武器，但决定战争胜败的是人民，而不是一两件新式武器。20世纪50年代，中国开始有限地发展核武器。中国政府在爆炸第一颗原子弹时就发表声明：中国发展核武器，是被迫而为的，是为了防御，为了打破核大国的核垄断、核讹诈，防止核战争，消灭核武器。此后，中国政府多次郑重宣布：无条件地不首先使用核武器，无条件地不对无核国家和无核地区使用或威胁使用核武器。90年代以来，中国先后参加了核不扩散条约，签署了《全面禁止核试验条约》，并就防止核武器扩散、推动核裁军进程一再提出建议。但防止核扩散和禁止核试验，只是走向全面禁止和彻底销毁核武器的一个中间步骤。中国政府将一如既往、尽一切努力争取通过国际协商，促进实现全面禁止并彻底销毁核武器的崇高目标。
现况
1991年12月，苏联的解体使自五十年代冷战开始以来紧张的国际形势续渐缓和下来，核大国陆续停止各自的核武试验。前苏联于1990年10月24日进行最后一次核爆炸试验。苏联于1991年解体后，前成员国全部声称没有在进行或已经进行任何核爆炸试验。英国于1991年11月26日进行最后一次核爆炸试验。美国在1992年9月进行最后一次核爆炸试验，以后便停止了核试，然而其基础核测试仍然在进行，于2012年12月7日便在内华达试验场测试处于亚临界状态的钚的性质。法国于1996年1月27日进行最后一次核爆炸试验。中国在1980年10月16日进行最后一次大气核爆炸，并于1986年3月21日宣布不再进行大气层核试验，但各类型地下核试仍在进行，至1996年7月29日最后一次地下核爆炸试验后停止核试。印度最后一次核爆炸试验是在1998年5月13日。
目前有八个公开宣称拥有核武器（不论是原子弹或是氢弹）的国家，分别是美国、俄罗斯、英国、中国、法国、巴基斯坦、印度、朝鲜，前五个也是联合国安全理事会的常任理事国。美国、俄罗斯（前苏联）、英国、中国、法国五国已完成氢弹试验。
除此之外，以色列也被部分人认为拥有核武，另外白俄罗斯、乌克兰与南非因和平原因放弃其核武，属于曾经拥有核武的国家。朝鲜民主主义人民共和国至少已于2006年核试验成功，利比亚卡扎菲迫于美军压力已宣布放弃核武计划，伊朗革命卫队称在俄、朝提供核弹头所需钚的协助下核武研发成功。
国际原子能机构总干事埃尔巴拉迪称“有30个国家拥有迅速生产核武器的能力”，他所指的“迅速”是在三个月内就可以拥有核武器，这已经接近全世界国家总数的1/6了。而且具有生产核武器能力的国家恐怕最少应该在50个国家以上，巴拉迪同时指出联合国每年的1.5亿美元用于防止核子武器扩散的开销费用，根本不能有效阻止现在越来越多的国家通过拥有大规模杀伤性武器来实现自卫的潮流，核武器也可能会流入恐怖主义组织的手中。
发展史
早期
1939年4月2日，德国物理学家乔格·朱斯和威廉·汉勒提出了将核能用在军事领域的可能性。但由于当时纳粹德国核子研究计划的主持人海森堡错误的实验方向与发展，令希特勒认为开发核武器的费用将会过于庞大，因此最终放弃了核武器的开发。8月2日，阿尔伯特·爱因斯坦在信（爱因斯坦-西拉德信，作者为物理学家利奥·西拉德）中签下名字，希望递交至时任美国总统富兰克林·德拉诺·罗斯福处，建议对方为核裂变武器提供研发资金，因为当时的纳粹德国可能也在这方面进行研究。10月11日，经济学家亚历山大·萨赫斯会面美国总统罗斯福，并递交了爱因斯坦-西拉德信。罗斯福批准设立铀顾问团。10月21日：铀顾问团首次会面，会议由国家标准技术研究所的莱曼·布里格斯主持召开。顾问团划出6000美元的预算来做中子实验。
1940年3月，英国物理学家奥托·弗里施、鲁道夫·佩尔斯撰写了弗里施-佩尔斯备忘录，计算出原子弹的爆炸可能只需要1英磅（0.45千克）的浓缩铀。该备忘录先是到了澳大利亚物理学家马克·奥利芬特手中，后者将其转交给了英国化学家亨利·蒂泽德。 3月2日，美国物理学家约翰·邓宁的团队证实了尼尔斯·玻尔的猜想——慢中子可引发铀-235的核裂变。 4月10日，蒂泽德在英国设立了穆德委员会，用于进行原子弹的可行性研究。 5月21日，乔治·基斯佳科夫斯基提出使用气体扩散法来分离同位素。 6月12日，罗斯福设立了美国国防部科研委员会，由万尼瓦尔·布什领导，并将铀顾问团并入其中。 同年，日本也开始了自己的核武研发，时任日本陆军航空技术研究所所长的安田武雄中将命令部下铃木辰三郎开始进行制造原子弹的可能性分析。铃木辰三郎在得到物理学家嵯峨根辽吉的指导下，提交了以“原子弹制造的可能”的研究报告。
1941年5月，物理学家大河内正敏提交了“铀炸弹制造的可能性”的报告。同年6月，物理学家仁科芳雄开始思考原子弹实物化的可能性。
1941年2月25日，美国化学家格伦·西奥多·西博格与阿瑟·华尔确定发现了钚元素。 5月17日，阿瑟·康普顿同美国国家科学院撰写的报告公开发表，指出研发军用核能源带来的的若干好处。 6月28日，罗斯福签署第8807号行政命令，设立科学研究与开发办公室，交由万尼瓦尔·布什管理。科学研究与开发办公室合并了国防部科研委员会和铀顾问团。詹姆斯·布莱恩特·科南特接任布什成为科学研究与开发办公室的新总管。 7月2日，穆德委员会任命詹姆斯·查德威克撰写原子弹的设计与预算报告的第二稿（也是最终稿）。 7月15日，穆德委员会分发了制弹的技术细节、预算的最终稿。万尼瓦尔·布什接获报告后，决定先等待报告官方版本出来后再进行下一步的行动。 9月3日，英国参谋长委员会批准了核武器计划。 10月3日，穆德委员会官方报告（查德威克撰写）送到了布什手中。 10月9日，布什将穆德委员会的报告呈交给罗斯福，后者在了解相关科学细节后准许了研发计划。罗斯福让布什起草外交函，以方便英美双方的高层接洽。 12月6日，布什组织了场会议来协调整个研发计划。该计划由康普顿主导，哈罗德·尤里负责研究使用气体扩散法来浓缩铀，欧内斯特·劳伦斯则负责研究电磁分离法（该方法最后造出了电磁型同位素分离器）。 康普顿将钚容器呈给了布什和科南特。 12月18日，科学研究与开发办公室S-1分部的首次会议。该部门专攻核武器制造。
苏德战争爆发后，苏联受到前线战事影响，直到1942年都未以积极的态度去进行核武器的开发。1941年12月下旬至1942年4月，弗廖罗夫写了一封秘信给库尔恰托夫、化学家卡夫塔诺夫（Кафтанов, Сергей Васильевич），以及苏联最高领导人斯大林三人，指出美国、英国，甚至是德国自1939年发现了核分裂后，都不再于物理科学刊物上发表相关讯息。这些学术机构完全不透漏成果的现象十分可疑，弗廖罗夫力促斯大林赶紧展开核武研究工程，他相信其他国家已各自展开了他们的秘密核研究。
1942年1月19日，罗斯福正式批准原子弹计划。 1月24日，康普顿决定将钚相关的科研工作放在芝加哥大学进行。 2月19日，加拿大和英国协商设立蒙特利尔实验室，用作英、加两国在核技术方面的协作（尤其是制钚）。 7月-9月，罗伯特·奥本海默在加利福尼亚大学柏克莱分校召开夏季会议，会议研讨了核裂变武器的设计。爱德华·泰勒提出了氢弹的构想，在会议中重点讨论。
1942年5月，化学家卡夫塔诺夫和物理学家约费向斯大林呈递报告，论证了在苏联为解决原子武器问题成立科学中心的必要性。苏联国防委员会中由莫洛托夫分管这一工作。1942年9月底，斯大林召集约费、卡皮察、物理化学家谢苗诺夫、放射化学家赫洛平（Хлопин, Виталий Григорьевич）、化学家卡夫塔诺夫、库尔恰托夫等人，讨论了德国、美国和英国在研原子弹的情报，听取了科学家的意见后，斯大林作出结论：“我们也要研制原子弹”。
1942年9月28日苏联国防委员会授权苏联科学院恢复“关于原子能利用的可行性”研究工作，在1943年4月1日前提交制造铀弹的可行性报告。在苏联科学院的战时疏散地喀山设立实验室。1942年10月，内务人民委员部提交了一份探讨核武器可行性的英国“穆德委员会”报告影本，从而令斯大林下令展开苏联的核武开发计划（尽管资源相当有限）。苏联科学院选择了拥有广泛核物理阅历的库尔恰托夫负责这方面工作，约费院士也向莫洛托夫推荐库尔恰托夫，莫洛托夫向斯大林进言让库尔恰托夫主持原子能研发业务工作。
1942年12月2日：在恩里科·费米的设计、主导研发下，世界上首个核反应堆——芝加哥1号堆在建造后短短一个月成功实现了自持反应。
1943年2月18日，Y-12国家安全大楼动工。Y-12是橡树岭的一个大型电磁分离工厂，用来浓缩铀。 6月2日，气体扩散工厂K-25动工。 7月10日，第一份钚样品抵达洛斯阿拉莫斯。 8月13日，枪式裂变武器的首次投下试验，位于达尔格伦演习场，负责人诺曼·拉姆齐。 肯尼斯·尼科尔斯取代马歇尔成为曼哈顿工程区的总工程师。他上任后的首批任务之一是将曼哈顿工程区总部迁移至橡树岭（但工程区并未因此更名）。 10月10日，汉福德区首个核反应堆动工。 11月4日，橡树岭的X-10石墨反应堆达到临界状态。 同年，东条英机下达研究原子弹的命令，代号为“仁计划”。仁科芳雄招集了他的老师，长冈半太郎和朝永振一郎以理化学研究所人员身份投入海军核子技术研发。铀235的主要提纯分离方法主要有四种，即热扩散法、气体扩散法、电磁法、高速离心法。但是战时日本寻找不到足够的铀矿石，而且为了节省时间，仁科芳雄团队决定采取最省事的热扩散法。热扩散法是将铀238进行氟化处理成六氟化铀，然后通过温度差对流分离的方式，较重的铀238会沉淀，而较轻的铀235则会浮在水面上。在研究如何制作六氟化铀时，仁科芳雄实验室的研究员木越邦彦发现通过砂糖可以让铀碳化，然后再用碳化的铀进行氟化，最终可以制成六氟化铀。之后木越发现用淀粉的碳化效果更好，于是之后的六氟化铀制作便选择了淀粉。从1944年7月开始，提炼成功的六氟化铀开始在分离塔进行分离试验。但因为六氟化铀的强腐蚀性，分离塔的渠道也经常被腐蚀出孔洞，导致事故频发，因此试验进展缓慢。同时，仁科芳雄团队对日本铀矿石储量的预测也存在很大误差。之前仁科芳雄团队认为日本有着丰富的铀矿石储量，但后来调查发现日本的铀矿石储量并没有那么多。到了1943年后，当仁科芳雄告诉海军“理论上或许可行，但可能美国也无法成功将原子弹实用于战争”时，海军便对仁科芳雄的能力失去了信心。而仁科芳雄只好再找其他单位来继续研究计划。海军放弃了仁科芳雄后，又招集了另一位物理学家荒胜文策进行研究。他的团队包含物理学家汤川秀树。荒胜文策团队试图利用高性能离心分离机的方式来分离出浓缩铀，但荒胜文策设计出来的离心机转速远低于理论需要的每分钟10万转，离心机分离浓缩铀的实验也宣告失败，离心机一直到日本投降后都尚未生产。荒胜文策设计的原子弹蓝图虽然可行，也因为铀不够而在投降时尚未完成。
1943年2月11日，苏联国防委员会将原子能研究特别实验室从喀山班师回莫斯科。涉铀研究工作由别尔乌辛和苏联国防委员会科学部门全权代表、化学家卡夫塔诺夫领导，研究工作由库尔恰托夫主持。1943年年中，开始研究生产高纯度石墨和反应堆用的金属铀、从反应堆生成物中提取钚的工艺。之后几年间，苏联原子弹的研制仍是相对较低顺位的工程。这段时期苏联设有八个研究实验组，分别从事核反应堆物理、气体扩散法浓缩铀、后处理化学、重水生产、电磁法浓缩铀、新机组生产工艺、快中子物理，以及介子研究，另外设有一个回旋加速器组。涅梅诺夫、杰烈波夫、格拉祖诺夫等从被围困的列宁格勒运出了战前建成的加速器，1944年9月8日在莫斯科运行，进行中子束实验，生产钚。
1944年1月11日，洛斯阿拉莫斯理论部门成立了特别小组来研发内爆式核武器，负责人爱德华·泰勒。 3月11日，橡树岭Beta电磁型同位素分离器启动。 4月5日，在洛斯阿拉莫斯，埃米利奥·塞格雷收到了橡树岭核反应堆增殖的首份钚样品。十天后，他发现自发性裂变的速率过高，无法应用在枪式裂变武器上（因为钚-240混入到了钚-239中的缘故）。 5月9日，在洛斯阿拉莫斯，世界上第三个核反应堆——LOPO——达到临界状态。该反应堆是世上首个溶液堆，也是首个以浓缩铀作为燃料的反应堆。 7月4日，奥本海默向洛斯阿拉莫斯实验室的研究人员阐释了塞格雷的发现，并终止了枪式钚核武器的研发。设计内爆式的核武器从此成了实验室的重中之重。枪式铀核武器的研发计划重启。 9月22日，洛斯阿拉莫斯实验室使用放射源进行首轮放射性镧测试。 9月26日，世界上首个全尺寸反应堆——B反应堆——在汉福德区启用。 11月下旬，美国阿尔索斯任务首席科学家塞缪尔·古德斯米特下定论称，依照斯特拉斯堡中发现的有关文档，德国人并没有在核武器、核反应堆的研发计划中取得有效的进展，甚至整个研发计划都没有给予高优先级。 12月14日，在一次放射性镧测试中发现了可实现压缩度的确凿证据。
1945年1月7日，首次使用电桥式电雷管进行放射性镧测试。 1月20日，K-25工厂进行到第一阶段，使用了六氟化铀气体。 同年2月，一小群日本科学家已经成功分离出初步的铀235复合材料，但两个月后美军空袭东京毁掉包括用于热扩散法提纯铀235的分离塔在内的大部份重要设备，让铀堆和重水的生产陷入停顿。另外，日本的原子弹计划也饱受铀矿短缺的困扰。军部命令日本在海外各地的占领军寻找铀矿石，在本土、中国、大韩民国、缅甸等地搜刮铀矿，结果也是徒劳无功。为此，日本甚至开始在黑市上寻找氧化铀卖家，并向盟友德国进行求助。
到了1945年5月14日，即欧洲战场结束的6天后，德国向日本运送540公斤氧化铀的U-234潜艇在大西洋向盟军投降，使得整个战争期间，日本获得的氧化铀只有在上海黑市上买到的130公斤。4月22日，阿尔索斯任务在德国海格洛赫发现了德国的实验性核反应堆。 5月7日，美国田纳西州阿拉莫戈多进行了一场100吨炸药的试爆。 7月16日，在阿拉莫戈多，曼哈顿计划引爆了人类历史上的首次核爆炸——三位一体核试——使用了一种内爆式钚核武器（被称为“小工具”）；印第安纳波利斯号重型巡洋舰前往天宁岛，舰上载有核武器。 7月19日，奥本海默建议格罗夫斯放弃研发枪式裂变武器，把铀-235用来制作复合堆芯。 7月24日，美国总统哈里·S·杜鲁门向苏联领袖约瑟夫·维萨里奥诺维奇·斯大林透露消息称美国有核武器（但苏方早已透过谍报活动得知此事）。
1945年7月26日，美、英、中三国联署的《波茨坦公告》发布，威胁会将日本“迅速完全毁灭”。 7月27日，日本政府决定对《波茨坦公告》“默杀”（即不予置评），被盟军视为日本拒绝投降。 8月6日，艾诺拉·盖号B-29型轰炸机将小男孩原子弹（枪式铀-235弹）投在了是次行动的主要目标城市广岛市。8月9日，博克斯卡号B-29型轰炸机将胖子原子弹（内爆式钚弹）投在了是次行动的第二目标城市长崎市，因为当日主要目标城市小仓市当天天气状况恶劣。 8月12日，《史迈斯报告》公开发表，首次介绍了原子弹的有关技术背景。
在日本投降前不久，日本已经可以每个月从韩国和九州的电解氨工厂生产二十公克的重水。重水可以作为核反应堆中的中子慢化剂，这些核反应堆能够利用中子活化把铀-238转化成为可制作核武的重要材料钸-239。由野口君创办的朝鲜水利电力公司在二次大战结束前几年一直秘密生产重水，其规模可与德国在挪威的重水工厂比拟。甚至有历史学家指出，他们打算在1945年8月开始进行测试，不过真相随着苏联的占领而永远消失。
在参与曼哈顿工程的克劳斯·福克斯送来的核情报，以及美军于广岛与长崎两地投下原子弹后，斯大林要求苏联研究人员在五年内完成原子弹爆炸与实战化。斯大林认为在这段时间内美国暂不会对苏联实施核打击。同时，苏联人民委员会成立第二特别委员会，专门负责研制图-4战略轰炸机与喷气发动机技术，马林科夫任第二特别委员会主席，为苏联掌握原子弹的远程战略投掷能力，形成对美国最低限度的核均势而努力。1945年12月10日，苏联人民委员会专门委员会下设工程技术委员会，下设五个委员会，分管817厂（核反应堆）、813厂（气体扩散法铀浓缩）、814厂（电磁法铀浓缩）、化工原料生产厂及矿冶厂的设计建设。
1946年2月，叛逃苏联的伊格尔·古琴科泄露了有关在加拿大的苏联间谍团伙的信息。该消息被公之于众，引发了公众对“原子间谍”的担忧，导致美国国会对于战后核能法律法规的讨论趋向保守化。 7月1日，比基尼环礁进行了代号“Able”的核试。该试验是十字路口行动的一部分。 7月25日，比基尼环礁进行了代号“Baker”的核试。 8月1日，杜鲁门批准了《1946年原子能法案》（也称《麦克马洪法案》）。
1946年4月9日，斯大林把专门委员会技术委员会与工程技术委员会合并为科学技术委员会，下设五个委员会，分管石墨核反应堆与重水反应堆、气体扩散法铀浓缩、电磁法与离子法铀浓缩、化学冶金，以及工业卫生。该工程于高尔基州的萨罗夫进行，同时也将该地名字改为“阿尔扎马斯-16”。研究工作由库尔恰托夫院士主持。开发团队（包括了数码苏联核科学的专家，如哈里顿（Харитон, Юлий Борисович）和雅可夫·泽尔多维奇）有着美国政府的协助，更深一层的信息又有福克斯卧底，但卡皮察院士认为“向我们提供的（美国核）情报是为了把我们引向岐途”，贝利亚与库尔恰托夫因尽可能采取每一项细节都自行测试的作法。特别是贝利亚还以自己的情报机关作为第三者，检查科学家团队的结论是否有问题。
1946年12月25日晚18时，苏联的石墨反应堆“Ф-1”开始临界运行，装入34.8吨金属铀、12.9吨二氧化铀、420吨核级超纯石墨，功率100瓦，瞬间功率3800瓦。石墨反应堆采用了与美国不同的方案：将铀棒垂直放置，而不是水平放置。氧化铀生产与金属铀核燃料生产在莫斯科以东70公里的埃列克特罗斯塔利市的第12厂进行。赫洛平（Хлопин, Виталий Григорьевич）领导的苏联科学院镭研究所则承担钚分离的研究。内务人民委员部第九研究所（特种金属研究所）承担铀矿地质、采掘、矿冶、钚提取技术的研究。有色冶金工业人民委员部稀有金属工业总局稀有金属研究所镭实验室在叶尔绍娃（Ершова, Зинаида Васильевна）领导下，用金属镁还原四氟化铀，在高频电炉中金属冶炼，早在1944年12月便生产出重量1kg的高纯度金属铀。莫斯科电机厂承担核纯级石墨的研制，早在1944年5月便研制出灰分低于万分之四，硼低于百万分之1.7的石墨。
冷战
冷战初期的1948年，前苏联的铀-235工厂（817厂）在车里雅宾斯克附近建成。817厂的建设工程在车里雅宾斯克州克孜勒塔什湖南岸进行，工程包括石墨堆（А厂）、放射化学厂（Б厂），及化工冶金厂（В厂）的建设。石墨反应堆建于地下混凝土深井中，井壁厚3米，外包钢制水箱，井内径9.4m，设1168根燃料槽。1946年9月开工，1947年1月完成40m深基坑开挖，1947年末主体工程竣工，1948年1月开始安装调试，1948年6月初开始安装核燃料，6月10日19时装入72.6吨金属铀后达到1000千瓦链式反应。6月22日达到满功率100兆瓦。1948年12月22日首批铀块出堆送入Б厂。Б厂是在1948年8月末完成主体施工开始遥控设备安装。1949年2月26日首批钚浓缩液从Б厂出厂送入В厂，首先由第九车间生产出硝酸钚，然后由第四车间还原生产金属钚，最后送入第11车间机加工。1949年8月初生产出苏联第一颗原子弹的两个钚半球。
阿尔扎马斯-16保密行政区的苏联科学院第二实验室第11研究所承担原子弹的设计工作，总设计师哈里顿。
1949年8月8日，两颗镀镍的钚半球从车里雅宾斯克-40的В厂起运往第11研究所最后组装。阿尔扎马斯-16在保密行政区斯维尔德洛夫斯克-44设有气体扩散浓缩铀工厂，1949年竣工投产。斯维尔德洛夫斯克-44设有电磁法浓缩铀工厂。在塔吉克的列宁纳巴德建设了第六综合厂，下设6处矿山和5处浸出厂。
1949年8月29日，前苏联核试验于哈萨克的塞米巴拉金斯克试验场第一次试爆原子弹，原子弹的名称为“РДС-1”（第一闪电）。РДС-1是库尔恰托夫研究所所构思的，设计与美国的胖子原子弹几乎是一样的，引起美国对其研发团队内存在苏联“原子间谍”的猜疑。当时官方称其为实验室第二号，但自1946年4月起内部文件将它定性为与办公室或基地一样的事物。РДС-1爆炸产生了2.2万吨的威力。与胖子原子弹一样，РДС-1是一种内爆型核武器，核心是固体的钚。
前苏联成功研制出原子弹后，在1950年1月，美国总统杜鲁门决定研制氢弹。氢弹的研究工作由爱德华·泰勒领导。1951年泰勒占有了乌拉姆的一个创新构想，并将其开发成第一个可行的爆炸当量达百万吨级氢弹设计。乌拉姆及泰勒的贡献就成了后来的泰勒-乌拉姆设计方案。利用原子弹促进爆炸时产生的高温，使氘发生核融合反应。1951年5月8日（UTC+11），美国进行氢弹原理试验，试验弹代号“乔治”，在太平洋上的恩尼威托克岛试验场进行，当量22.5万吨，是温室行动的其中一环。达62吨的试验装置放在60余米的钢架上，装置以液态氘作为核融合原料，并有冷却系统使氘处于极低温。“乔治”试验弹实际上是一颗充入液态氘的裂变弹，氘气能够作为一种助力剂，利用氚在炸弹爆炸时发生的核融合反应产生的高能中子，加剧可分裂物质的链式分裂反应，所以被称为“加强型分裂炸弹”。这次试验証实了泰勒的构想是可行的。同月24日，美国引爆“Item”试验弹，这个试验装置首次选用了氚作为核融合燃料。
美国在1952年10月31日（UTC+11）于太平洋的埃内韦塔克环礁伊鲁吉拉伯岛引爆“常春藤麦克”氢弹试验装置，是常春藤行动的一环。该装置是第一个通过测试的泰勒-乌拉姆方案核装置。该装置高6米，直径为1.8米，重达65吨，看上去像个大暖瓶，爆炸威力达1000万吨TNT当量。相当于广岛型原子弹的500倍。“常春藤麦克”体积比一辆载重汽车还大，它必须装有笨重的制冷系统，这样的装置飞机、导弹都无法运载，没有什么实战价值。常春藤行动中的另一个试验装置“国王”于同年11月15日（UTC+11）在埃内韦塔克环礁被引爆，当量超过50万吨TNT，是当时威力最大的纯裂变式原子弹。
1953年8月12日，前苏联于塞米巴拉金斯克试验场成功试验氢弹，名称为“RDS-6s”，当量为四十万吨TNT。其方案是采用锂的一种同位素锂─6和氘的化合物──氘化锂作核燃料。氘化锂是固体，不需冷却压缩，制作成本低、体积小、重量轻、便于运载。这种氢弹称为“乾式”氢弹，所以苏联是第一个成功把氢弹实用化的国家。
在1954年3月1日（UTC+11），美国在城堡行动中在比基尼岛试验代号“Bravo”的氢弹，这是美国的第一颗实用型氢弹，并是美国历来引爆过的测试弹头中威力最大的，当量为一千五百万吨TNT。
英国在1952年于澳洲蒙泰贝洛群岛进行英国首次核子试爆。几位关键英国科学家曾在曼哈顿计划中工作，他们返回英国后在英国原子弹计划中工作，所以飓风行动武器类似胖子（长崎核爆）核子武器，虽然1946年的麦克马洪原子能法防止英国使用美国的设计数据。飓风行动采用空心设计，不同于三位一体测试。这种设计增加炸弹当量为30千吨，尽管实际当量接近25千吨。
1955年4月14日（UTC-8），美国在内华达试验场试验代号“MET”的核弹，当量2.2万吨，比预期当量3.3万吨少33%。该次试验首次使用由铀-233和钸组成的炸弹核心，这是其于TX-7E的“铀-235/钸”井。同年，沙哈诺夫留在萨罗夫主导研发并设计制造出苏联首枚百万吨级氢弹。其后前苏联于1961年10月30日（UTC+3）在新地岛引爆一枚氢弹，称为沙皇炸弹，是人类至今所引爆过所有种类的炸弹中，体积、重量和威力最强大的炸弹。当量为五千万吨TNT，其威力是第二次世界大战投掷于广岛和长崎的“小男孩”原子弹的3,800倍、“胖子”原子弹的2,300倍。其引爆时的火球直径接近8公里，相当于珠穆朗玛峰的高度，火球最高处离地面10.5公里，差不多达到了投放炸弹的Tu-95轰炸机的飞行高度。
美国于1956年5月27日首次测试三阶段热核武器，名为“Zuni”，是红翼行动的一环，这款炸弹的当量为350万吨TNT，85%的释放能量来自核聚变，它使用了锂作为干涉层，而不是会引发核裂变的铀-238。在同年7月20日，另一个同款热核武器被引爆，名为“Tewa”，当量为500万吨TNT，选用了铀-238作为干涉层。与Zuni不同，Tewa炸弹87%的释放能量来自核裂变，由于核裂变会造成大量放射性物质污染，所以Tewa被称为Zuni的肮脏版本。这种三阶段热核武器后来被发展成美国装备部队最大的炸弹“Mk-41”。
英国于1957年5月15日拥有氢弹。法国在美国曼哈顿计划协助下核技术有长足进展，在1960年2月13日阿尔及利亚战争期间，法国在阿尔及利亚撒哈拉大沙漠拉甘，完成法国第一个原子弹核试验蓝色跳鼠，当量为7万吨。
在1959年，中苏关系急剧恶化。1959年6月13日（UTC+08），中国人民解放军总参谋部正式批准核试验基地建设。同年11月16日，第一届全国人民代表大会常务委员会第51次会议决定设立的中华人民共和国第三机械工业部（三机部），主管核工业发展建设和核武器制造。宋任穷被任命为部长，钱三强被任命为副部长。1958年2月11日，原三机部改名为中华人民共和国第二机械工业部（二机部）。中国物理学家邓稼先组织了研制小组用计算器模拟了原子弹爆炸的过程。随后，邓稼先组建了高级理论班子，包括物理学家周光召等人，专门研究解决原子弹设计中的重大技术问题。原子弹内部的力学问题由周光召解决。两位在流体力学和数学上有很深造诣的副主任成功地解决了不定向流体力学的计算方法问题。邓稼先自己则亲自主持高温高压下物质状态的研究。物理学家江德熙在1961年冬成功研制点火中子源，并把这个装置命名为“XY小球”。中国从1959年开始在云南临沧地区开采铀矿，一共得到150吨粗铀原料。与此同时，铀加工工厂的建设也在进行，工厂对粗铀原料进一步加工。早在1959年初，二机部所属的内蒙古包头核燃料元件厂、甘肃兰州铀浓缩厂、甘肃酒泉原子能联合企业等首批主要工程都已取得了很大进展。1964年，原子弹组装完成。8月份，原子弹运到了试验场。试验场上竖起了一座高达103米的铁塔，场内设有各种指挥所、观察哨、辐射侦察分队、有线课题遥测站以及气象观测站。1964年10月14日19时（UTC+08），原子弹被吊上了铁塔。16日上午，引爆装置XY小球被安装上弹体，炸弹在当日14时59分40秒启动起爆程序，原子弹被成功引爆。后来在1966年10月27日（UTC+08），中国成功试验能够运载核子武器的导弹。中国热核武器的研制紧接进行。于敏率领的研制团队于1966年5月9日（UTC+08）成功地进行了一次含有热核材料的核试验，同年12月28日，又用塔爆方式进行了氢弹原理试验，当量30万吨。次年6月17日7时（UTC+08），第六次核试验中成功试爆热核自由落体炸弹，引爆的炸弹当量331万吨。
1968年8月24日，法国成功试爆该国第一枚热核炸弹，当量260万吨。1974年5月18日，印度在邻近巴基斯坦的波卡兰试验场试爆名为“波卡兰-I”的原子弹，当量1万2千吨。
在古巴导弹危机后，公众开始重视核武器带来的后果，于是美国、英国和苏联便开始积极进行协商制定《核不扩散条约》相关细节的讨论，到1968年美国、英国和苏联签署《核不扩散条约》，而在当时与美国和苏联两个同时都处于对立状态下的中华人民共和国并没有签署此条约。
1980年10月16日，中华人民共和国最后一次大气核爆炸。1986年3月21日，国际和平年的春季，中华人民共和国政府正式宣布不再进行大气层核试验。
后冷战时代
1991年12月，苏联的解体使自五十年代冷战开始以来紧张的国际形势续渐缓和下来，核大国陆续停止各自的核武试验。1992年，中国签署《核不扩散条约》。同年法国也签署《核不扩散条约》。全世界大多数国家都陆续签署《核不扩散条约》。
前苏联于1990年10月24日进行最后一次核爆炸试验。苏联于1992年解体后，前成员国全部声称没有在进行或已经进行任何核爆炸试验。英国于1991年11月26日进行最后一次核爆炸试验。美国在1992年9月进行最后一次核爆炸试验，以后便停止了核试，然而其基础核测试仍然在进行，于2012年12月7日便在内华达试验场测试处于亚临界状态的钚的性质。法国于1996年1月27日进行最后一次核爆炸试验。中华人民共和国在1980年10月16日进行最后一次大气核爆炸，并于1986年3月21日宣布不再进行大气层核试验，但各类型地下核试仍在进行，在1996年7月29日最后一次地下核爆炸试验后才停止了核试。1996年，中华人民共和国签署《全面禁止核试验条约》。
巴基斯坦于1998年5月28日首次公开进行核试验，名为“贾盖-I”，作为对印度于同月11日至13日进行的波卡兰-II核试验的回应。事件使联合国安全理事会通过第1172号决议谴责核试验，并要求两国不要参与进一步的测试。此外，不少大国执行对巴基斯坦的制裁，例如美国和日本。此次行动是印度最后一次核试。巴基斯坦核专家阿卜杜勒·卡迪尔·汗已经对外承认了自己向北韩、利比亚和伊朗三个国家出售核武关键技术。
朝鲜在2003年退出了《核不扩散条约》。2006年10月9日，朝鲜政府发表公告称成功进行核试验。2007年1月6日，朝鲜政府进一步证实拥有核武器。2009年4月，有报告称朝鲜已成为“完全核国家”。2009年5月25日，朝鲜进行了另一次核试验，据信产生了里氏4.7级的地震。虽然没有试验位置的官方消息，但是据信试验是在朝鲜东北部首次核试验所在地吉州郡万塔山。估计朝鲜共拥有六枚核武器，但是其军用目的的铀浓缩计划可以将核武器数量在2015年以前增加至15枚。2013年2月11日，美国地质调查局监测到里氏5.1级地震波，据信为第三次地下核试验。朝鲜官方报道称此次核试验十分成功，弹头更小，但比以前的核武器威力更大，不过没有提到具体的当量。韩国方面估计其当量约为6至7千吨，但专家指出5.1级地震当量应该为20千吨。同年，伊朗革命卫队称在俄、朝提供核弹头所需钚的协助下核武研发成功。
2016年1月6日，朝鲜引爆一枚核装置，外界探测当量与前几次相同，朝鲜当局宣称是氢弹爆炸。2017年9月3日朝鲜发生规模6.3强烈地震，震源深度零公里，地震地点就在朝鲜核子试验场所在地丰溪里。朝鲜宣称成功试爆可安装在洲际导弹上的氢弹。
原理
科学研究背景
现时科学界已知核子武器的重要威力来源—核连锁反应—是在地表自然存在的，奥克洛是目前世界上唯一已知的曾经自然发生自持的核连锁反应的地方，共有16处。从大约20亿年以前开始反应，断断续续反应几十万年，在此期间平均输出功率为100千瓦。
核武器的发明建基于二十世纪初科学界对原子的研究成果，认识这段历史是了解核武器原理的第一步。在1896年，法国物理学家亨利·贝克勒在研究铀和钾的双硫酸盐结晶具有类似磷光发散的现象时，意外发现了铀的天然放射性，被认为是现代原子物理学的开端，世界各地的学者开始更为关注对原子结构的研究。
1897年，英国物理学家约瑟夫·汤姆孙表明阴极射线应该是由一种未知的带负电粒子组成，他计算出这种粒子必须比原子小得多，并且有非常大的质荷比，这种未知的带负电粒子现在被称为“电子”。汤姆孙在1913年也发现了稳定元素同位素的第一个证据，这是他在探索德国物理学家欧根·戈尔德斯坦在1886年发现的阳极射线的过程中的成果之一。他与另一位英国物理学家弗朗西斯·阿斯顿一起确定带正电粒子的性质的实验是质谱法的第一次使用，并导致了质谱仪的发展。1898年，苏格兰物理学家詹姆斯·杜瓦用再生冷却法（Regenerative cooling）及他所发明的真空保温瓶，首次制成液氢。翌年，他又制成固体氢。
约瑟夫·汤姆孙发现带负电的电子，这暗示中性原子内也应该有带正电荷的粒子，提出原子应该是一个带正电且电荷均匀分布的圆球，而电子则像梅子分散在布丁上，并在1903年提出“梅子布丁模型”。日本物理学家长冈半太郎反对汤姆生的模型，并指出相反电荷间是无法穿透的。他提出的模型则是带正电子的核心在原子中间，周围环绕着若干电子。于是，长冈半太郎在同年独立提出原子的准行星模型，称为“半太郎土星模型”。长冈半太郎建议电子的轨道就像土星环，这是从苏格兰学者詹姆斯·马克士威的土星环稳定理论获得的灵感。他的模型是基于跟土星环稳定性的类似解释（土星环能稳定存在是因为土星质量极大），并预测一个质量极大的原子核和受到电磁力束缚的电子环绕着原子核。新西兰物理学家欧尼斯特·拉塞福在1911年一篇论述自己提出的“拉塞福模型”的论文里，提到了长冈半太郎的半太郎模型（Nagaoka model）。拉塞福在1908年至1909年间，在研究α粒子穿过金箔产生散射的过程中发现了α粒子的大角度散射现象，从而证明原子的中心含有直径约10费米的质量电荷中心。至此，长冈半太郎的这两个预测都成功被欧内斯特·卢瑟福的实验确认。然而根据古典力学原理，这样的原子会因为电子发射电磁波而不稳定。而且，所发射出来的电磁波波谱不符合所观测到的原子光谱。不论是“半太郎模型”还是“拉塞福模型”也没有给予电子的环绕运动任何结构。这些问题后来被丹麦物理学家尼尔斯·玻尔于1913年提出的“玻尔模型”所解决，他首次引入量子化的概念来研究原子内电子的运动，对于计算氢原子光谱的芮得柏公式给出理论解释。在波耳模型中，位于特殊轨道的电子具有取决于轨道半径才拥有特定的能量，这个能量值后来被称作能级。半太郎土星模型亦预言了质子的存在，但欧尼斯特·拉塞福在1917年至1925年间以多项粒子撞击实验，证明氢原子核存在于其他更重的原子核内，质子才被主流认为确实存在。
1919年，英国科学家弗朗西斯·阿斯顿制成第一台质谱仪。阿斯顿用这台装置发现了多种元素同位素，研究了53个非放射性元素，发现了天然存在的287种核素中的212种，第一次证明原子质量亏损。同年，新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福通过用α粒子轰击氮核，使之放出质子的方式，首次用人工方式实现了核嬗变反应。这种利用射线轰击原子核来引起核反应的方法逐渐成为原子物理研究的主要手段。英国科学家弗朗西斯·阿斯顿和弗雷德里克·林德曼于同年提出利用离心机来分离同位素。
1920年，英国天文学家亚瑟·爱丁顿提出氢氦聚变可能是恒星能量的主要来源，揭示了核聚变的潜力。1923年，美国物理学家阿瑟·康普顿观察到X射线或伽玛射线的光子跟物质交互作用，因失去能量而导致波长变长的现象，即“康普顿效应”，后来的核电磁脉冲弹应用了这一原理。1928年，日本物理学家仁科芳雄在与瑞典物理学家奥斯卡·克莱因共同发表康普顿散射研究论文，并推导出关于X射线的康普顿散射的“克莱茵－仁科方程序”。
1929年，美国物理学家欧内斯特·劳伦斯与李明斯顿发展出回旋加速器，将质子分别经过一连串相对低的电压加速。第一部回旋加速器建于1930年，稍后的改良则于1934年完成。世界第二部回旋加速器则由日本物理学家仁科芳雄于1936年在理化学研究所制成。1932年，英国物理学家约翰·考克饶夫与爱尔兰物理学家欧内斯特·沃尔顿制造出原子击破器，利用七十万伏单一的高电压对质子加速，然后再拿它们轰击锂靶，分离出氦。沃尔顿的这个实验证明了早期欧内斯特·卢瑟福所提出的“卢瑟福模型”，后来的“玻尔模型”对原子结构的描述则更为细致。
1931年12月，美国科学家哈罗德·尤里的研究小组发现氘，并在1932年发现重水，即含有氘的水。1932年，在卢瑟福的核嬗变实验基础上，澳大利亚核物理学家马克·奥利芬特完成了氢同位素的实验室聚变。在1934年，马克·奥利芬特发明利用电磁分离法从天然铀中提炼铀-235，这也是美国物理学家阿尔弗雷德·尼尔（Alfred O. C. Nier）采用的提炼程序。欧内斯特·卢瑟福、马克·奥利芬特和保罗·哈特克（Paul Harteck）则在同年首次制备出氚。1936年，杰西·韦克菲尔德·比姆斯（Jesse Wakefield Beams）和F. B. Haynes使用弗朗西斯·阿斯顿的离心机分离法成功分离了氯的同位素。
1938年12月，德国化学家弗里茨·施特拉斯曼和奥托·哈恩认证了中子轰击铀核产生的钡。1939年，奥地利-瑞典原子物理学家莉泽·迈特纳与她的外甥奥托·弗里施将施特拉斯曼发现的这一未知现象归结为铀核发生了核裂变，并在该年1月13日通过实验验证了这一点。苏联科学院化学物理研究所的尤里·波里索维奇·哈里顿（Харитон, Юлий Борисович）和雅可夫·鲍里索维奇·泽尔多维奇对产生链式核裂变的条件进行了深入研究，1939年10月完成了《铀的主要同位素的链式裂变研究》与《论慢中子作用下铀的链式裂变反应》，发表在苏联《实验物理和理论物理》杂志上，系统阐明了铀-238只能用重水做减速剂才能链式裂变；铀-235在浓缩含量大于0.7%以上可以用轻水做减速剂发生链式反应。1940年3月，二人完成第三篇论文《铀核链式裂变的动力学问题研究》，发表在《实验物理和理论物理》杂志1940年第5期，阐明了核反应堆设计中起决定性作用的物理过程、慢中子与快中子的反应截面，缓发中子对超临界的影响、核能制造炸弹获取能量的可能性，理论计算得出了铀-235在快中子照射下的临界质量是10kg。1939年，苏联科学院列宁格勒物理技术研究所核研究室年轻的核物理学家格奥尔基·尼古拉耶维奇·弗廖罗夫与鲁西诺夫实验测量了每个铀核裂变时释放的次级中子数为3±1个。
1940年3月，英国物理学家奥托·弗里施、鲁道夫·佩尔斯撰写了弗里施-佩尔斯备忘录，计算出原子弹的爆炸可能只需要1英磅（0.45千克）的浓缩铀。该备忘录先是到了澳大利亚物理学家马克·奥利芬特手中，后者将其转交给了英国化学家亨利·蒂泽德。
丹麦物理学家尼尔斯·玻尔根据他的原子核液滴模型从理论角度分析认为，由慢中子导致裂变的物质应该是铀-235而不是数量更丰富的铀-238，慢中子可引发铀-235的核裂变。1940年4月，为验证玻尔的说法，阿尔弗雷德·尼尔（Alfred O. C. Nier）用质谱仪制造出微量的浓缩铀-235。及后，美国物理学家约翰·邓宁的团队，包括阿里斯蒂德·格罗斯（Aristid von Grosse）、尤金·布斯（Eugene T. Booth），证实了玻尔的理论分析。
美国核物理学家利奥·西拉德和沃尔特·津恩（Walter Zinn）很快又证实每一次核裂变都释放一个中子。至此，几乎可以肯定核链式反应是可以发生的，原子弹的开发具有理论可行性。此外，马克·奥利芬特一直在尝试说服欧内斯特·劳伦斯将他的37英寸回旋加速器改装成一个巨大的质谱仪，以用来分离同位素，在1941年11月24日，劳伦斯的37英寸回旋加速器被拆除。它的磁铁被用于建首个电磁型同位素分离器，这种仪器后来被用于橡树岭的Y-12工厂的铀浓缩。美国物理学家恩里科·费米最先发现超临界组合。他的发现开展了受控制的连锁反应的研究，后来发展成核子反应炉。
1940年5月弗廖罗夫与康斯坦丁·彼得扎克（Konstantin Petrzhak）为屏蔽宇宙射线影响在莫斯科迪纳摩地铁站的位于地下60米深井下进行不同能量中子源作用下铀核裂变释放中子流量的实验时，发现了自发裂变现象，发表在美国《物理评论》。
自1940年开始，美国化学家格伦·西奥多·西博格与埃德温·麦克米伦等人开始制备超铀元素。埃德温·麦克米伦和菲力普·艾贝尔森研究团队发现了錼（93），他们用回旋加速器以低速中子撞击铀靶，生成了錼239。錼是首个被发现，也是首个人工合成的锕系超铀元素。1941年2月25日，格伦·西奥多·西博格与阿瑟·华尔发现了钚（94），钚-239和铀-235同样是有能力维持核链式反应的可裂变物质，但相较铀-235而言更容易量产，因此也更具实战价值。从1940年到1958年，他们一共发现9个新元素，包括原子序数94到102。包括钚（94）、镅（95）、锔（96）、锫（97）、锎（98）、锿（99）、镄（100）、钔（101）和锘（102）。1944年，西博格提出锕系理论．预言了这些重元素的化学性质和在周期表中的位置。这个原理指出，锕和比它重的14个连续不断的元素在周期表中属于同一个系列，现称锕系元素。西博格还发现了易裂变的同位素：钚239和铀233等。
核反应
核裂变将重原子核分裂为轻一些的原子核，而核聚变则是将轻的原子核聚在一起形成更重的原子核。从某种意义上说，裂变和聚变是相反的又互补的两种反应。
核裂变
当一个自由的中子击中了一个可能会发生裂变的原子核，例如 235铀 时，铀原子核会分裂成两个较小的原子核，称为裂变碎块，同时产生更多的中子。裂变可以自己维持，就是因为它能产生越来越多的能够触发新的裂变的中子。
铀-235的分裂方式可能有几十种，但是不论是哪种分裂方式，分裂产物的原子量加起来都是236，即铀原子核和自由中子的重子数之和（重子数守恒）。
在裂变反应慢下来以后，裂变材料的放射性仍然存在。由于新生成的元素中含有大量的中子，他们将通过β衰变转换成为新的原子核。在这个过程中，中子通过释放一个电子和γ射线转化为质子。每一个裂变产物的原子核都会衰变1到六次，平均为3次，可以产生大量不同元素的同位素，有些稳定，有些有放射性，有些半衰期甚至长达20万年。在反应堆中，这些放射性产物为用过的核燃料中的核废料。而在核武器中，这些放射性产物将产生放射性尘埃。
同时，在爆炸时的核弹内部，裂变所释放出来的中子会撞击临近的铀原子核并使它们也发生裂变。这样发生裂变的原子数量以指数的速度上升（这也就是所谓的链式反应）。在短短的一微秒内，发生裂变的原子数就可以翻上一百番，也就是将会有数吨的铀原子发生裂变。但是实际上，核弹中的装药不会有这么多，而且在核装药被炸开之前，通常只有数千克的铀发生了裂变反应。核武器设计中的一个关键难题就是如何保证核装药能够保持尽可能长的时间不被炸散。核裂变所释放出来的热量会使铀发生膨胀，使得铀原子的距离变远。这样裂变所释放出来的中子在触发新的裂变之前就飞出核装药的可能性就会大大增加，甚至会导致链式反应停止。
核武器中通常使用的两种裂变物为铀-235和钚-239，它们都是能够通过链式反应来维持裂变的物质，被称为可裂变物质。铀元素最常见的同位素铀-238也可以发生裂变，但是不能直接作为核弹的裂变物。由于铀-238在裂变反应中所释放出来的中子的能量不够，不足以触发新的裂变，因而无法维持链式反应。然而它的裂变仍然可以释放巨大的能量。通常可以使用聚变源所释放的中子使其发生裂变。铀-238在裂变中释放的能量是二阶段热核武器释放的能量的主要来源。
核聚变
由于聚变所释放出来的能量不足以维持高温高压的聚变环境，它一般无法形成链式反应。它产生的中子通常会带走绝大部分的能量。在核武器中，通常使用的聚变反应被称为D-T反应。在高温高压的环境下，氢的两种同位素氘（D）和氚（T）会形成一个氦核与一个中子，同时释放出能量。
注意，反应中释放出的总能量仅仅是裂变反应的十分之一。但是由于反应物的质量仅仅是裂变反应的十五分之一，单位质量的聚变物质释放出来的能量更为巨大。一千克氘聚变释放出来的能量等于4千克铀-235的裂变。然而由于主要的能量都被中子所带走，而中子又不带有电荷、质量又与氘氚原子核差距不大，它所带有的能量不会被用来维持聚变反应，也不会产生能够引起冲击波和火焰的X射线。为了利用聚变所释放的能量，在实践中需要将中子源用重金属包围起来，比如铅、铀、钚等等。如果14兆电子伏特的中子被铀原子核（238或235）捕获，将会引发铀原子核的裂变反应，同时释放出180兆电子伏特的能量，能量增加了十几倍。
因此，通常裂变被用来引发聚变，帮助维持聚变，并增大聚变产生的中子携带的能量。注意在中子弹中，我们不需要使用裂变来增加释放能量，这是因为中子弹释放的中子就是我们需要的目标。
生产氚的核反应
第三个需要介绍的核反应可以用来制造氚，因此同样非常重要。氚是使用了聚变的核武器的核心，并且也是核武器中最贵重的部分。氚，也被称为氢-3，包含一个质子和两个中子。自然界中的氚一般是宇宙射线中的高能中子击中了氘原子核，氘核于中子结合生成氚核。而在人工制造的过程中，一般通过用一个中子轰击锂-6原子核，从而产生一个氦-4原子核于一个氚原子核，同时释放出能量。
中子由一个核反应堆提供。工业化的将锂-6转为氚的过程于将铀-238转化为钚-239的过程非常相似。在这两个转化过程中，反应物质都放置在一个核反应堆，经过一段时间取出进行处理。在20世纪50年代，核反应堆的容量有限，生产氚和生产钚互为竞争关系。核武器中使用的每一个氚原子都是本应用来生产钚原子的。一个钚原子裂变释放出的能量是一个氚原子聚变所释放出的能量的十倍，因此仅当氚可以补偿生产氚时所浪费的能量的时候，亦即可以触发更多的裂变时，才会在核武器中使用氚，也就是在聚变增强弹中。
然而，一个爆炸的核弹就是一个核反应堆。上面所说的过程可以在二阶段热核武器的第二阶段中同时发生，于是也就在设备爆炸的同时提供了聚变所需要的氚。
在所有这三种类型的核武器中，纯裂变核弹仅使用了第一个核反应，第二个，聚变增强弹使用了前两个，而第三个，二阶段热核武器使用了所有的三个核反应。
临界质量
临界质量是维持自持或发散的链式裂变反应所需要的裂变材料的最小质量。刚好可以产生链式裂变反应的组合，称为已达临界点。如果减少裂变材料的质量，核裂变的速率会随时间减少，称为“次临界”。处于次临界的裂变材料不能维持链式裂变反应，因为原子间的夹缝太大，中子会从空隙中逃逸。如果增加裂变材料的质量，核裂变的速率会以指数增长，称为“超临界”。处于超临界的裂变材料能产生链式裂变反应，但因原子间的距离仍然很大，中子行程较远，裂变反应间隔时间因而被延长，这时核燃料只会缓慢燃烧，而不会引发核爆炸。如果链式反应触发多个裂变反应同时发生，称为“即发临界”，是超临界的一种。处于即发临界的组合便会产生核爆炸。内爆式原子弹设计有两个处于次临界的同心空心球，内爆将把它们原有的密度至少挤压得增加一倍，缩短了裂变中子在原子核之间穿行的距离，从而达至即发临界。
裂变材料的临界质量取决于材料的成分，如种类、富集度，诸材料的几何排列、系统的形状、慢化剂的性质、有否中子反射体，以及反射体的材料及其厚度等，也与临界质量有关。临界质量反射层通过反射使中子返回裂变物质中，便能减小临界质量，并且增加系统的惯性，延长它停留在超临界状态的时间。但由于反射中子的行程较长，这使各次裂变反应的间隔时间被延长。中子亦会因在反射层中非弹性散射而造成能量损失，效益因而减弱。因此，要计算反射材料对降低临界质量的效益，便要考虑反射材料的吸收藏面和散射截面。
临界体积可以通过方程求出。在链式裂变反应进行时，中子的扩散满足扩散方程，中子的密度下降，同时中子的密度却会因链式反应不断增加，密度的增加速度是正比于中子的浓度，中子越多则中子密度的增加就越快。因此，在中子的扩散与增殖的此消彼长作用下，物质就会有一个临界体积，当物质体积大于临界体积的时候，中子浓度会随着时间指数增加，引发核爆炸。能够以最少的物料到达临界质量的形状是球形。如果在四周加以中子反射物料，临界质量可以更少。有中子反射的球形铀-235临界点为15公斤左右。钚则为10公斤左右。
各种可行的炸弹装填物
源材料及特种可裂变材料
核分裂的链式反应只有特定符合条件的物质才能维持，这些符合条件的物质称为“可裂变物质”。可裂变物质一般都能够成为核子武器中构成核分裂反应部份的装填物，例如铀-232、铀-233、铀-235、钸-239、钸-241、锔-242和锔-248之间的同位素、锔-250、鉲-249、鉲-251、鋂-242等等。一公斤钸-239核分裂能产生等同于两万一千吨TNT的能量，是钸弹威力的主要来源。在生产钸-239时会产生杂质钸-240，一般而言钸-240的含量比例要低于7%，才能作为核子武器的源材料。铀-233可以进行链式裂变反应。美国曾在1955年试验了一枚铀-233测试弹。他们总结铀-233核弹是非常强力的武器，但是与同时的铀钸核弹相比，它只有少量的可持续技术优势，特别是纯同位素铀-233难以取得。鋂-242m1的热中子吸收截面最大，为5,700靶恩，因此维持核连锁反应所需的临界质量很低。裸露的鋂-242m1球体临界质量大约为9至14公斤（不确定性是由于缺乏有关其物质特性的数据）。加上中子反射体后，临界质量可降至3至5公斤，如果使用水反射体则更低。这样小的临界质量有助于制造手提核武器，但由于鋂-242m1的稀少和昂贵，故未能实现。
在武器控制的条约中，特别是禁止生产核武器用裂变物质条约的提案中，可裂变物质通常用来指主要用于核武器中的可裂变物质。这些物质可以维持有爆炸性的裂变链式反应。符合这个定义但不符合通常核物理中定义的物质是镎-237。
一些可行的核聚变燃料及聚变形式包括：
- 氘氚聚变（聚变临界温度为大约1.0×108 K）
- 氖聚变（聚变临界温度和密度分别为大约1.2×109 K和4×109公斤/米3）
- 氦聚变
- 碳聚变（聚变临界温度和密度分别为大约6×108 K和2×108公斤/米3）
- 氢硼融合
氘化锂-6是热核武器中的重要核聚变燃料。二阶段热核武器中，第一阶段的裂变弹在爆炸时释放的中子会轰击锂-6原子核，从而产生一个氦-4原子核和一个氚原子核，同时释放出能量。这时氚和氘会进行核融合，进一步释放能量。氘氚核融合释放的快中子会进一步激发铀-238的裂变，释放更多能量，大幅增加炸弹威力。二阶段热核武器中的装填物氘化锂一般是氘化锂-6和氘化锂-7的混合物，其中只有氘化锂-6中的锂-6能够转化为氚，然而氘化锂-7能够在核爆中的高温高压转化成氘化锂-6，从而成为炸弹燃料。
有关武器级铀浓度的误解
虽然只有当铀235含量超过90%才会被称为“武器级浓缩铀”，然而铀235含量只达到10%左右的浓缩铀，只要配合适当的中子源及中子反射体，仍足够达至即发临界，引发核爆炸。而要使核爆炸成为可能，至少需要使铀235的浓度达到7%。
中子反射体
在一些氢弹设计中，铍制薄板或薄片会被用作包裹钚核的中子反射层，因为它有助降低临界质量。不能维持核分裂链式反应的铀-238也能够被用于构成炸弹内的中子反射层，其他合适材料还有碳化钨等高密度的中子反射体。在裂变弹中，以钸-239制成的炸弹核心的空心位置通常会充入氚气，氚气会在爆炸时的高温高压下进行核融合，氘氚核融合反应产生的快中子的能量达到14.1兆电子伏特，可以很有效的使铀-238和其它不是可分裂物质的超铀元素发生分裂。此时，以铀-238构成的中子反射层也会进行核分裂，增加炸弹威力。
中子源
鉲-252为强中子放射源，能够用于核武的点火装置。
制作流程
铀弹的其中一种可能的制作流程。
开采
萃取纯化
- 硝酸铀酰溶液在地面工厂萃取纯化。
转化（浓缩前）
铀浓缩
- 使用气体扩散法将六氟化铀浓缩。气体扩散法的主要技术组件是一层以耐六氟化铀腐蚀材料制成的多孔气体扩散薄膜或管状膜（此为关键技术）
转化（浓缩后）
切割
- 使用专门设计的金属切割机，将金属铀切割成理想形状。（此为关键技术）
组装
各项生产技术
开采技术
铀的沉积物如沥青铀矿，可以用地质手段勘探发现。这些矿石经过抽样化验以评估能够以合适的成本从矿物中提取的铀的数量。铀储量指的就是能够在指定的成本下开采出来的矿石数量。现时在铀市场中出售的铀精矿一般是八氧化三铀。
铀矿石可以通过常规的开采手段通过露天或者地下的方式开采。美国的铀矿石通常含有0.05到0.3%的八氧化三铀。其他国家发现的铀沉积物可能品位更高，储量也比美国的大。某些铀矿的铀含量也可能非常低，仅百万分之50至百万分之200。通过合适的技术，这些含量很低的铀矿也有开采价值。
- 浸取：最常见的铀矿开采方法。这种技术首先通过规则排列的阵列井将铀矿石原地提取出来，随后通过地面工厂将铀萃取出来。
- 常规开采：传统的矿石开采方法，使用磨机将矿石磨成颗粒。
- 海水回收：从海水中提取铀。每升海水含有3.3微克的铀。
同位素分离技术
同位素分离是核武器材料制造的关键技术。铀同位素需要被分离以提供浓缩铀作为核反应堆的燃料或者用于核武器中氢同位素需要被分离以提供重水作为核反应堆中的中子减速剂锂-6需要被提纯以应用于热核武器中。
气体扩散法：从六氟化铀气体中提取浓缩铀（铀-235含量较高的铀材料）
- 喷嘴型同位素分离
- 涡流型同位素分离
早期质谱分离法：一种早期的铀浓缩方法，从溴化铀中提取极微量的浓缩铀。
激光分离法
- 分子激光同位素分离（MLIS）
- 原子蒸气激光同位素分离（AVLIS）
- 激光激发同位素分离（SILEX）：第三代的激光同位素分离技术。由澳大利亚的西勒克斯系统公司（Silex Systems）开发。
- 浓缩铀：使用六氟化铀作为原料，在同位素被电离以后使用磁场将其分离出去。
- 同位素选择性活化的化学反应同位素分离（CRISLA）
辐照核燃料后处理技术
辐照核燃料后处理技术是指把经辐照后的核燃料中的钚和铀，从强放射性裂变产物及其他超铀元素中分离出来的技术工艺。
分离技术
有机溶剂水相萃取
- 钚铀萃取法（普雷克斯过程）：目前的标准辐照核燃料后处理技术。将辐照燃料溶解在硝酸中，接着通过利用磷酸三丁酯与一种有机稀释剂的混合剂的溶剂萃取法分离钸和铀和分裂产物。钸元素通常是在核子反应炉中生产，以正在进行核分裂的铀-235所䆁放出的中子碰撞铀-238得出铀-239，经过两次分别维期23.5分钟和2.3565天的β衰变后，最终形成钸-239。此时这些钸产品和其他超铀元素混合在一起，要通过普雷克斯流程从反应炉中的铀中分离出来，才能装填在炸弹内。铀-233亦能以相似的方式制作，钍-232在吸收中子后会转化为铀-233。
- 铀萃取法
- 超铀元素萃取法
- 二酰胺萃取法
- 选择性锕系元素萃取法
- 通用萃取法
- 电化学方法
焦化处理法：
焦化处理是许多高温再处理方法的縂称。这些方法也使用溶剂。但与水相萃取不同，本法的溶剂一般是熔盐，比如氯化锂-氯化钾混合盐或者氟化锂-氯化钙混合物；也可以是熔融金属，诸如镉、铋和镁。工艺中一般会用到电解精炼、蒸馏以及溶剂萃取步骤。焦化处理方法目前应用不多。美国阿贡国家实验室等研究机构一直在开展这方面的研究。
- 电解法
- 焦化-A和焦化-B法
- 氧化挥发法
- 热挥发
- 氟化挥发法
- 氯化挥发法
已不再使用的分离方法
- 磷酸铋过程：一种早期的分离技术
- 氧化-还原法
- 2,2'-二（正丁基氧基乙基）醚（Butex）萃取法
辐照核燃料元件切割
后处理转化及生产系统
核燃料元件制造技术
核燃料元件制造技术是指加工核材料的技术工艺。四氟化钚、乙酸铀酰、硝酸铀酰、八氧化三铀等都属于核材料。
材料转化技术
- 转化粗铀、铀浓缩物
- 转化铀的氧化物
- 从三氧化铀到二氧化铀的转化：用裂解的氨气或氢气还原三氧化铀来实现。
- 从三氧化铀到六氟化铀的转化：直接通过氟化实现，该过程需要一个氟气源或三氟化氯源。
- 从三氧化铀到四氯化铀的转化：使用氢来把三氧化铀变成二氧化铀，再和四氯化碳进行反应，生成四氯化铀。四氯化铀较六氟化铀容易控制，缺点是易潮解，因此操作必须在用五氧化二磷保持干燥的手套箱中进行。
- 从三氧化铀到四溴化铀的转化：用三氧化铀和四溴化碳在165℃反应得到四溴化铀。
- 从二氧化铀到四氟化铀的转化：用氟化氢气体在300-500摄氏度与二氧化铀反应来实现。
- 从铀的氧化物到五氯化铀的转化：将氧化铀和四氯化碳在高温高压条件下进行反应，得到的产物是五氯化铀和光气。
- 转化铀的氟化物
- 从六氟化铀到二氧化铀的转化
- 用氢气和水蒸气将六氟化铀还原并水解为二氧化铀
- 通过溶解在水中而将六氟化铀水解，然后加入氨沉淀出重铀酸铵，接着可在820摄氏度用氢气将这种重铀酸盐还原为二氧化铀
- 将气态六氟化铀、二氧化碳和氨通入水中，结果沉淀出碳酸铀酰铵。在500-600摄氏度，碳酸铀酰铵与水蒸气和氢气发生反应，生成二氧化铀。
- 从六氟化铀到四氟化铀的转化：用氢还原实现
- 从四氟化铀到六氟化铀的转化：用氟气在塔式反应器中与四氟化铀发生放热反应来实现。使流出气体通过一个冷却到-10摄氏度的冷阱把热的流出气体中的六氟化铀冷凝下来。该过程需要一个氟气源。
- 从四氟化铀到金属铀的转化：用大批量的镁或小批量的钙还原四氟化铀来实现。还原反应一般在高于铀熔点（1130摄氏度）的温度下进行。
- 从六氟化铀到二氧化铀的转化
反应堆及反应堆用非核材料制造技术
核反应堆的堆芯是一个能承受一次冷却剂的工作压力的压力容器，冷却剂选用导热性强的液态金属钠，并用专门设计的泵使之循环，泵必须精密密封防止冷却剂渗漏。其他部件包括控制棒导管、热屏蔽层、档板、堆芯栅格板、扩散板等。反应堆设有专门设计的燃料装卸机，能进行停堆装料操作。堆中的控制棒能控制反应堆的反应速率，使用能够吸收中子的物料制成。反应堆用的一次冷却剂的压力管工作压力超过740磅/平方英寸。反应堆锆管选用铪与锆之重量比低于1:500的锆金属和合金。反应堆用的石墨纯度要高于百万分之五硼当量，密度要大于1.5克/立方厘米。
钸最大生产率每年不超过100克的反应堆称为“零功率反应堆”，由于此类型反应堆远远不足以制造核武，因此其出品不受监管。
重水、氘、氘化物生产技术
- 重水生产：可以以水-硫化氢交换法或氨-氢交换法生产。
- 水-硫化氢交换法：基于在一系列塔内（通过顶部冷和底部热的方式操作）水和硫化氢之间氢与氘交换的一种方法，在此过程中，水向塔低流动，而硫化氢气体从塔底向塔顶循环。使用一系列带孔的塔板促进琉化氢气体和水之间的混合。在低温下氘向水中迁移，而在高温下氘向硫化氢中迁移。氘被浓缩了的硫化氢气体或水从第一级塔的热段和冷段的接合处排出，并且在下一级塔中重复这一过程。最后一级的产品是氘浓缩至高达30%的水，会被送入一个蒸馏单元以制备反应堆级的重水（99.75%的氧化氘）。
- 氨-氢交换法：在催化剂存在下通过同液态氨的接触从人造气中提取氘。人造气被送进文换塔，而后送至氨转换器。在交换塔内气体从塔底向塔顶流动，而液氨从塔顶向塔底流动。氘从人造气的氢中洗涤下来并在液氨中浓集。液氨然后流入塔底部的裂化器，而气体流入塔顶部的氨转换器。在以后的各级中得到进一步浓缩，最后通过蒸馏生产出反应堆级重水。人造气进料可由氨厂提供。而这个氨厂也可以结合氨-氢交换法重水厂一起建造。氨-氢交换法也可以用普通水作为氘的供料源。
武器设计和构造
设计核武器需要考虑物理上、化学上以及工程上的各种因素。
- 裂变武器
- 枪式
- 内爆式
- 聚变增强裂变武器
- 多阶段热核武器
- 泰勒-乌拉姆构型
- 于敏构型
- 萨哈罗夫千层饼构型（Sloika）
- 汤姆-迪克-哈利构型
试验
核试验主要目的是鉴定核爆炸装置的威力及其他性能，验证理论计算和结构设计是否合理，为改进核武器设计或定型生产提供依据；在核爆炸环境下研究核爆炸现象学和各种杀伤破坏因素的变化规律；研究核爆炸的和平利用等。1996年9月全面禁止核试验条约在联合国大会通过后，仅印度、巴基斯坦和朝鲜三国进行过核试验。
据统计，地球上已记录到约2095次核试验。美国1093次，其中200次为大气层核试验（72次地面、11次高空、81次中空、36次水面）、5次水下、888次地下核试验。苏联进行715次核试验，其中大气层212次、水下3次、地下核试验500次。法188次、中45次、英43次、印6次、巴基斯坦6次、朝鲜6次。
引爆前的安全性
由于低当量的核弹头也拥有毁灭性的破坏能力，武器设计人员永远需要考虑到需要使用某种方式和操作流程以避免偶然地爆炸。核子武器在引爆以前必须维持在次临界。以铀核弹为例，可以把铀分成数大块，每块质量维持在临界以下。引爆时把铀块迅速结合。投掷在广岛的“小男孩”原子弹是把一小块的铀通过枪管射向另一大块铀上，造成足够的质量。这种设计称为“枪式”。钸核弹不能以这种方法引爆。第一枚钸原子弹“胖子”的钸是造成一个在次临界以下的中空球状。引爆时使用包围在四周的炸药把钸挤压，增加密度及减少空间，造成即发临界。这种设计称为“内爆式”。
另外在研发期间也有其他安全问题需要注意，曼哈顿计划期间的1944年9月2日，两名化学家便因被高腐蚀性氢氟酸溅到而死亡，阿诺德·克拉米什重伤濒死。当时他们正在清理一个浓缩铀的装置，该装置是位于费城海军船坞的热泳试验工厂的一部分。是次事件是曼哈顿计划首次有人员伤亡的事故。此外，美国物理学家哈里·K·达格利恩在洛斯阿拉莫斯国家实验室一次临界质量实验中意外的受中子辐射照射，导致他在25天之后死亡。
种类
主要包括核分裂武器（第一代核武，通常称为原子弹）和热核武器（亦称为氢弹，分为两级及三级式）。亦有些还在武器内部放入具有感生放射的轻元素，以增大辐射强度扩散污染，或加强中子放射以杀伤人员（如中子弹）。
除此以外，核武器还可以根据用途而细分为战略核武器及战术核武器，前者是一般意义上的核武器范畴，为大当量的核武器和远射程，后者则属于小当量和近射程。其中，后者可用于战争前线。战术核武器的概念以及发展相对战略核武器为迟缓，是在第二次世界大战以后多年才逐步形成的，而战术核武器需要对核能技术的要求亦较高以及复杂，其前提是要拥有战略核武器。
核裂变武器
裂变核武通过单纯的核分裂释放能量。重核子如铀或钚在中子冲击下发生核分裂，分裂成为较轻的核子，同时释放更多的中子，造成连锁反应。传统上裂变核武称为原子弹。和中子弹的用途一般，现在纯粹的核裂变武器，通常仅用来制造低当量和小型的战术核武器，如大卫克罗无后座力砲等。
- 铀弹：使用化学炸药，把在临界质量以下的铀-235或铀-233挤压成超越临界质量的一块，然后在中子照射下产生连锁反应，最后达致即发临界，引发核爆炸。起爆的方式可分为枪式和内爆式。美国第一枚投掷在日本广岛的核武小男孩为枪式起爆的铀弹。每一磅的铀-235分裂时可放出大约3,700百亿焦耳的能量，约为82太焦耳／公斤（TJ/kg）。一般的连锁反应只维持一微秒（μs），功率约为82艾瓦／公斤（EW/kg），或每原子200兆电子伏／秒。
热核武器
- 加强型裂变武器（或称加强型原子弹或聚变助爆原子弹，为热核武器的雏型）：虽然名为“原子弹”实和中子弹同为为广义热核武器一种，指虽然像典型氢弹般有聚变材料作为核爆增强剂，但聚变的主要作用是提供足够中子，给裂变材料的分裂反应更为完全，意味所需的聚变材料较少，所以较一般氢弹小巧。本类的原意是作为氢弹的技术验证，后来通常此设计是用于小型的战略级核弹和可调节威力的核弹，因威力虽然逊于典型氢弹却胜在较紧凑。有人认为印度和朝鲜所说自己的氢弹，只是加强型原子弹。
- 氢弹：聚变核武通过核聚变释放能量。轻核子如氢或氦结合成较重的元素，同时释放大量的能量。使用聚变过程的武器亦常被称为氢弹，因为氢是聚变的常用材料。聚变核武有时亦称热核武器，因为它们的连锁反应需要更高的NANI温度启动。一般的氢弹会先引爆作为前级的裂变弹，造成足够的温度及压力，之后的后级聚变才会开始。后级可以无限制地连锁起来，制成比普通裂变强力很多的核武。目前只有美、俄、英、中、法五国承认拥有使用与生产氢弹的能力。印度在1998年5月进行的核试验中试爆了带热核装置的核弹，目前可能拥有氢弹。朝鲜亦在2016年1月6日宣布氢弹试爆成功，但未获承认。2017年9月3日，朝鲜可能成功制造出氢弹核试验。现代的核武通常结合两种核反应：聚变需要先以裂变产生足够的温度及压力启动；同时裂变在聚变开始后效率会得到提高。故此部分核武是三级设计：最先在外围第一级先用核裂变，造成聚变条件。中部第二级聚变发生后，再引起弹头中心的第三级的第二次裂变反应，造成裂－聚－裂反应的三级核弹，是现在最大破坏性的武器。此核弹称为三相弹、氢铀弹、三级效应超级炸弹或肮脏的氢弹。
- 中子弹：一种小型的热核武器。武器内的X射线反射镜及弹壳以铬或镍制成，让聚变中产生的中子离开弹体。高能量的中子流比其他放射更具穿透能力。一般能阻隔伽傌射线的物料要很厚（如一公尺厚的钢板）才可以抵挡中子流，所以不适用机动兵器，唯一可以反射的铍又有毒。因为只有水和电解质才能吸收中子，而生物中含大量水份，所以中子流对生物产生的伤害比伽傌射线更大。原先制造中子弹的目的，是希望可以杀人而不毁物（被戏称为“业主炸弹”或“房贷积欠款炸弹”：能杀死屋内的人，但房子无损），而理论上最有效的是对付坦克，因为当时前苏联的坦克不只是数量远比美国和全西欧总和还多，更大部分已经改装了防止吸入放射尘空气过-{zh-hant:泸;zh-hans:滤}-设备，故美国放弃了以放射尘而是中子流作为对苏军的主要威胁手段。中子弹所产生的热能及冲击波被故意减低，而中子流则被加强。但中子弹的热及火仍然会对建筑物造成严重的损毁。所谓“杀人不毁物”只是相对其他热核武器。中子弹所加强的放射，只限于引爆的一刻，与感生放射核弹的长期放射有所不同。特征是致命的放射线的范围对于人来说比爆风和热光大，而在肉眼看来各种效应非常像小型的原子弹，难以分别离爆心的安全距离，所以对人来说非常危险的。其实苏联已经发明了一种坦克装备的复合反射层，能大大减轻中子流的效果，但因为不可能全车都有同等的厚度，所以中子弹仍然有很大的威胁性。
- 冲击波弹：一种小型氢弹，采用了慢化吸收中子技术，减少中子活化，削弱其爆炸后辐射的作用，部队可以迅速进入爆炸区投入战斗，是一种战术核弹。
其他
- 脏弹：指具有放射性、非核武器的武器。它装填着放射性材料，爆炸的时候将放射性物质抛射散布，造成相当于核放射性尘埃的污染，造成灾难性的生态破坏。自九一一事件之后，西方政府最主要担心的一个就是恐怖分子可能利用脏弹袭击人口稠密区，作为区域封锁武器，就像其他更高级、更复杂的放射性武器，可以将这个地区在以后的数年或十几年中，退化为不适合人类居住的放射性地区。然而大多数的分析人士认为，肮脏弹的作用更主要体现在心理方面，而它所造成的污染虽然可以以有效的净化措施来治理，但所需要付出很大的代价。
- 钴弹：利用感生放射性的核武，原理是在弹壳使用钴元素。如下反应式聚变释放的中子会令钴变成钴60外加强烈辐射。约五年内在当地释放强烈伽玛射线，除了使用钴外，亦可使用金造成维持数天污染，或用锌及铊造成维持数月的污染，战术上让人无法进入该地区，并造成民众恐慌，已知的核武国没有承认有生产钴核弹。
- 伽玛射线弹：原理类似一座无防护层的裂变反应堆，所以不会发生一般意义上的爆炸，只放出大量伽玛射线；尽管各种效应不大，也不会使人立刻死去，虽然能造成持久的放射线，但不一定会污染土地，能有效迫使敌人离开。
- 核电磁脉冲弹：经过改造的核弹，减弱了冲击波与核辐射效应，增强了电磁脉冲效应（利用康普顿散射、光电效应等原理），利用在大气层以上的核爆炸，产生大量定向或不定向的强电磁脉冲，基本上对人体无害，但可使电器（或金属）急速升温烧毁。
能量释放的形式
核武器的能量主要通过五种形式放射出来：冲击波、热辐射、原始粒子辐射、核电磁脉冲和残留放射性（放射性尘埃）能量以何种形式被释放还要仰赖武器的设计以及爆炸时的环境。放射性尘埃的能量释放是持续的，而其他四种都是立即的短暂的爆发。
这最初四种形式释放的能量根据炸弹的尺寸而有区别。热辐射形式相对于距离衰减最缓慢，所以越是大当量的核弹，这种形式就越显得重要。粒子辐射被大气强烈吸收，所以他只在小威力的爆炸中体现出重要性。而冲击波效应的衰减，是介于上述二者之间的。
在爆发的一瞬间，核装药在一微秒内达到平衡温度。在这一时刻，大约75%的能量都以热辐射形式，特别是以软X射线的形式存在，而其他的残余能量则都表现为武器碎片的动能。接下来，这些软X射线和碎片怎样与周围媒质作用就成为冲击波和光以及粒子之间怎样分摊能量的决定因素。总的来说，若是在爆心周围物质很密集，那麽它们将非常有效的吸收能量，冲击波的强度将会被加强。
当爆发在接近海平面的大气中进行时，绝大多数的软X射线将在数英尺内被吸收。一些能量转而形成紫外线、可见光和红外波段的辐射，但更多的被用来加热空气，形成火球。
在高空的爆发中，由于空气密度的降低，软X射线更趋向于行走更长的距离，在它们终究被吸收后，只有更少量的能量用来推动冲击波（海平面的50%或更少），而剩余的都转化为其他形式的热辐射。
冲击波
核弹的主要的破坏力来自于冲击波效应。绝大多数的建筑（除特别加固和抗冲击结构的工事），将受到致命的摧毁。冲击波的速度将超过超音速的传播，而他肆虐的范围会随着核武器当量的增加而增加。两种相似又不同的现象将随冲击波的到来而产生：
大多数核武器空爆造成的破坏就是由静态超压和动态的疾风合成的效果。较长时间的超压拉动建筑结构使其变得脆弱，这时吹来的疾风再一举将其摧毁。压缩、真空和拉扯效应总共会持续若干秒钟，或者更长。而这里的疾风比世界上任何可能出现过的飓风都要更加凶猛。
热辐射
核武器的爆炸会伴随有大量的电磁波辐射爆发，分布在可见光波段，及红外的和紫外的波段上。主要的伤害机制是造成灼伤及对肉眼的伤害。在晴朗的天气下，作用范围可超过冲击波。辐射光的能量是如此之强，它可以在冲击波留下的废墟中再制造一场大火。而热辐射所作用的范围，随武器当量的增加而显著地增长。
由于热辐射线是以直线传播的，所以任何不透明的物体都可以成为有效的壁垒阻止其传播。但是，如果空气中有雾气，这些小水珠可以散射辐射线使其向四面八方传播，于是所有的壁垒都会显著地丧失作用。
当热辐射线作用于一个物体时，部分的能量会被反射，部分被传导和转化掉，而剩下的会被吸收。吸收的比率取决于物体的特性和颜色。一个薄片状的物体可以将大部分的能量传导掉，同时浅颜色的物体可以反射许多辐射，它们受到的伤害都会小一些。对辐射线的吸收造成温度在表面的迅速升高，例如木材、纸张、织物等都会被点燃和烤焦。如果恰好这种物质是不良导体，那麽加热现象只会在表面产生。
事实上，物质是否被点燃还仰赖于热辐射持续的长短，物质的厚度和包含的水分。在近距离上，所有的物质都会被加热蒸发，而在最远的距离上，只有最容易点燃和最脆弱的物质才会受到伤害。火灾并不一定只是热辐射线产生的，冲击波造成的混乱气流，也可能诱发大火。在广岛原爆中，就有一场空前巨大的火灾，持续了20分钟。火焰加热空气使其上升，周围的空气填补这一真空，造成持续的指向爆心的强风。然而这种现象并不是核爆炸所特有的，在二战的大轰炸中，大量的燃烧弹或经常发生的森林火灾中的烈焰也能造成大风。
电磁脉冲
γ射线通过康普顿散射效应将电子反冲加速，得到高能的电子。这些电子被地磁场捕捉，在地表以上20到40公里的高度上产生共振。周期性振动的电子即可产生连续的电磁脉冲（EMP），持续大约1毫秒。下一个持续大约1秒数量级的效应是，大量的长条形的金属物体（如电缆），在电磁波通过时会像天线一样工作并产生高压。这些强大的短暂的高压，可以摧毁未经屏蔽保护的电子设备甚至是电线本身。但这种可怕的电磁脉冲对生物的影响人们却不甚了了。另外灼热的空气破坏了电离层，也会使无线电通讯受到影响。
唯一能够保护电子设备不受脉冲摧毁的措施是将其完全包裹在良导体内，或别的形式的法拉第笼内。当然，对于无线电通讯设备来说这是不可能的，因为它将收不到任何讯号。最大当量的核弹被用来实现大面积的，甚至是洲际范围的电磁轰炸。
原始粒子辐射
核弹空爆中，以最原始的粒子和γ射线形式辐射掉了。裂变弹和聚变弹的中子辐射有很大不同。然而γ辐射的结构，无论是在这类爆炸式的核反应中，还是短半衰期的物质衰变中都是类似的。核反应粒子辐射随距离衰减快的原因，一个是它们的散布面积正比半径立方，强度即正比半径立方的倒数，一个是它们被大气强烈地吸收和散射。
粒子辐射的结构也与距离有关，在近爆心的地点，中子辐射强于γ辐射，但随着距离的增加，中子-伽玛比将减小。最终，中子成分与γ成分相比即可忽略。要注意的是，上述的这些距离，并不随爆炸当量的增加而有十分显著的变化。因此，越大当量的爆炸中，原始粒子辐射的效果就越不显著。在大块头的核弹中，譬如大于50kt，冲击波和热辐射的威力使得粒子辐射机制相形见绌，以至于被忽略。
辐射尘
剩余的放射性物质通过两种效应造成杀伤力：辐射尘和中子感应机制，剩余粒子放射线从下列物质中产生：
- 裂变产物。裂变产物是由铀或钚在裂变反应中产生的中等质量的同位素。在裂变反应中，实际上产生的产物有超过300种。大多数是放射性的，且半衰期的长短不一，区别很大。短则几分之一秒，长则在数年内都有致命的放射性。它们衰变的经典机制是释放β和γ射线。1千吨的当量中，有大约60克的放射性裂变产物。引爆一分钟之后，裂变产物的放射性等同于3千万公斤的镭同时衰变，也就是大约1.1泽它贝可。
- 未裂变的装药。裂变物质的利用，在核武器中可谓是很不充分，大量的铀和钚在裂变前就被炸得四分五裂。这些核装药，以α衰变的形式缓慢地辐射，而它们的重要性也相对较小。
- 中子感应效应。当一个原子核在中子爆发的时候捕获了中子，作为一种已知的必然机制，它将变为放射性并在较长的周期内放射β和γ射线。中子爆发作为最原始的核放射线，必将引起残留的中子感应效应。另外，环境物质，如土壤、空气和水，也将被感应激发，这取决于它们的化学成分和距爆心的距离。举例来说，在近爆心的地区，土壤中的矿物质由于中子爆发会变成有致命放射性的同位素。这是由于多种元素具有中子俘获能力，像钠、锰、铝和矽这样的元素，都存在于土壤中且参与了中子感应效应。但这种效应并不重要，因为它只限于很有限的一块区域内。
在近地面的爆炸中，大量的土壤或水分将被火球加热蒸发，上升成为放射云。这些物质凝结后，由于混合了裂变产物和中子感应产物，将变得具有放射性。较大的颗粒将在24小时内沈降到爆心附近（也与风速和天气有关），而较小的颗粒有可能会在全球大气系统中漂流数周以至数月。一些当地沈降物覆盖的面积会远远大于热辐射和冲击波的范围，特别是在大量的核爆中。在水面附近的核爆中，辐射尘颗粒将较小，下落的比例将较小，而分布的面积就会比较广大。大量海水中的盐和一些水分，可以作为凝结核，引起当地的降雨从而使当地的核沈降大大增加。
全球放射性沈降的生物学破坏作用是由长半衰期的同位素在生物体内的富集主导的。像锶-90或铯-137这类元素，通过食物等进入人体。化学上，这些同位素和钙很像，他们会被误认为钙，而被吸收并沉积在骨骼中。这些高放射性的物质将会造成例如像白血病一类的放射性疾病。全球沈降的个体伤害效果毋庸置疑是小于当地的辐射尘。
在普遍的情况下，冲击波和热辐射的杀伤将远大于放射线的伤害。但是，放射线的辐射伤害比冲击波和热辐射更加覆杂，人们对它也存在误解。各式各样的生物变异将在辐射区内的动物中发生。全身摄入高剂量放射性元素的个体将会立即死亡，其他摄入剂量较少的个体将会茍活，但也会随后来的并发症而死去。
投送
战略核武器常指用来摧毁战略目标的大当量核武器；战术核武器是指用于摧毁小型的特定目标（如军事、通讯或永备工事等目标）的较小的类型。
核武器的基本投放方式有：
- 轰炸机：早期核武器体积较大，只能被B-29等飞机运载和投放，但在1950年代中期，可由战斗轰炸机搭载的较小型的核武器被研制出来。这种新型空基的自由落体炸弹运用了多种新技术，包括翻滚轰炸，伞降投掷，卧倒模式，以保证给予载机足够的逃离时间。
- 弹道导弹：弹道导弹采用抛射物弹道飞行，通常用于超视距的弹头投送，因为初始高速和火焰对发射架威胁所限制，使到只适合在陆地或大型军舰发射，而现实唯一搭载的军舰是专用的特大型潜艇（弹道导弹潜艇）。机动弹道导弹具有十到上百公里的射程，洲际弹道导弹和潜射弹道导弹，每颗导弹可携带一打弹头，而每个弹头的当量下降到数万到数十万吨级。这样一次发射就可威胁多个目标，或对一个目标造成更有效的打击。
- 巡航导弹：这种导弹使用喷气发动机或火箭发动机提供动力，以低空巡航的方式飞行，使用自动导航系统（基本上是惯导，但也有GPS导航和雷达中继制导作为辅助），虽然只是低速和大气中飞行，但新式巡航导弹以低飞进入普通陆基雷达的盲区所以突防能力比早年的前辈V-1火箭更强。巡航导弹的射程较之弹道导弹要近，且携载能力也要差一些，当今也没有服役的多弹头巡航导弹。导弹可从地面基地、潜艇、舰船及飞机上发射。
其他可能的投送方式包括榴弹砲的核砲弹、核地雷（蓝孔雀）、核深水炸弹、核鱼雷、核迫击砲弹。50年代，美国研制了用于空中截击的无控空-空火箭箭载小型核弹头，装备于F-106截击机，但其在1960年代就基本退役，而核深水炸弹也在1990年代退役。可由两人携带的小型战术核弹也已研制成功，被一些媒体夸张为所谓的手提箱炸弹，它被称为“特别打击核武库”。尽管如此，人们还在追求当量与便携性的最佳整合，以达到最大的军事效用。
传统上一个国家具备战略轰炸机、陆基核弹道导弹、弹道导弹潜艇的三栖投放方式，称为核三位一体，目前严格来看只有美国、俄罗斯。中国、印度有潜力成为下一个具备此能力的国家。
武器储存及维护
核子武器的维护保养工作是要令武器装备维持在理想状态。虽然核武器常见的成分，如铀235和钚239，这两种物质的寿命都非常长，它们的半衰期分别为7亿年和2.4万年。但是，核武器的另一个重要成分—氚—的有效期只有12年，另外装载核燃料的金属器具及炸弹零部件也会逐渐氧化，需要定期更换及维护。核子武器的平均保质期约为20年，有些核武的设计能使保质期延长至超过30年。
防核武碉堡
防核武碉堡能够在高强度核子战争下，维持人员存活，并保护核武储存仓及发射载体，确保二次核打击能力。
核材料的销毁
最常见的销毁方法是将废弃核武中的核裂变材料转化成粉末状氧化物，成为供核电站使用的混合氧化物燃料。另外美国能源部曾提议把废弃核弹中的钚装入容器，用玻璃溶液凝固后深埋地下，但这种做法存在安全隐患。
监管和制约
在第一颗核武器被发明出来之前，参与马特兰计划的科学家们就针对该种武器的使用持不同看法。在英国，第一次由核裁军运动组织的奥尔德玛斯顿游行于1958年的复活节举行。根据核裁军运动组织的统计，几千名民众参与了持续4天的游行，从伦敦的特拉法加广场一直到靠近伯克希尔的奥尔德玛斯顿的核武器研究基地，以表达他们对核武器的反对。奥尔德玛斯顿游行一直举办到20世纪60年代晚期，上万名民众参加了为期4天的游行。1959年，发布在《原子科学家公报》上的一封信成为一场成功停止原子能委员会在离波士顿19公里的海中倾倒放射性垃圾运动的开始。1962年，鲍林因在阻止核武器大气实验和推动“禁止原子弹”运动方面的努力，被授予诺贝尔和平奖。
1963年，许多国家加入限制核武器大气实验的《部分禁止核试验条约》。1968年首次签署《不扩散核武器条约》。放射性垃圾的议题变得不再那麽重要，反核武运动在数年内逐渐消弱。1980年代，对核武器战争的恐惧重新在美国和欧洲兴起。
虽然国际社会对核武器的消减作出许多努力，但核武器的威胁始终存在。2000年不扩散条约审议大会上与会代表认为，目前“关于核武器能力应增加更多的透明度，减少核武器对安全政策的作用。”2003年，朝鲜民主主义人民共和国退出《不扩散核武器条约》，引起国际社会关注。
红十字国际委员会认为，需要“在有关核武器的讨论中，重点突出核武器给人类造成的惨痛代价以及国际人道法的基本规则。这就意味着要提醒每个人注意到核武器给人类造成的极大风险，促使人们意识到眼前的机遇，并对那些明显有助于消除核武器的措施提供支持。”
